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医用材料の表面化学 - 九州大学 先導物質化学研究所 高原研究室
医用材料の表面化学 先導物質化学研究所 高原 淳 http://takahara.ifoc.kyushu-u.ac.jp 1. 2. 3. 4. 5. はじめに 濡れ性 表面の分析法 表面の性質と血液適合性 表面の性質と細胞培養 （参考書） • 高分子の表面について 高原、大学院高分子科学、中濱ら編、講談社(1997) • バイオマテリアルの表面 中林、石原、岩崎、バイオマテリアル、コロナ社(1999) 石原、畑中、山岡、大矢、バイオマテリアルサイエンス、東京化学同人(2003). １. はじめに 界面、表面：２次元の世界 界面：均一な固体や液体の相が他の均一な相と接している境界 表面：均一な固体や液体の相が他の均一な気体相と接している境界 バルク：３次元の世界 表面の特異性： 水滴は極力表面の面積を減らし、 余分なエネルギーが少なくなるよう に球形をとる。→表面張力の存在 固体では？ 表面はエネルギーの高い状態→バルクとは異なった性質 Pauli 結晶性固体の性質が物理的にきれいに説明がつくのに対して、それが難し い表面の複雑さにごうを煮やし、「固体は神がつくりたもうたが、表面は悪魔 がつくった」と言ったという。 表面・界面はなぜ重要かー表面・界面の関わる応用 最表面層（-1nm) 10層程度 0.1-10μm 1-100μm 表面の平滑性 表面の凹凸、細孔 微粒子→ナノ粒子 反応、触媒作用、吸着、イオン交換、濡れ、 分散、印刷、付着・凝集、接着、生体適合性 電気伝導、帯電、潤滑、摩擦 表面硬化、メッキ、光沢 腐食・防食、塗膜、皮膜 フィルム、磁気ディスク、摩擦 透過、吸着、分離、摩擦、摩耗、接着、反 射、濡れ、断熱、細胞接着 トナー、磁気テープ粉、磁性流体、顔料、 カーボンブラック、研磨材,DDS ２．表面・界面張力ー濡れ性 表面張力の存在 •水道の蛇口から落ちる水滴 •固体上の水銀の玉 •水面上を広がる有機単分子膜 界面：ある均一な液体や固体の相が他の均一な相と接している境界 均一相の一方が液体や固体で、他の均一相が気体の場合、その界面を 表面と呼ぶ 蓮の葉の表面の水滴 水の表面に展開された墨微粒子 ー墨流し 表面張力の起源 表面が縮む現象を力で解釈できる 理由 液体表面上の仮想的な膜 その上に１cmの線、これと直角に 膜に沿って働く力を表面張力とした γは表面に平行に働き、表面を広げ ようとするすべての力に抗する 表面上の分子間力による解釈 高いエネルギーに相当する分、表 面では再近接分子間の距離が大き い →密度の低下 液体内部の力はγに寄与しない 液体の接触角 γ SV γ LV θ Ｌ γ SL 固体表面の液滴が固体ー液体ー気体が 共存して平衡 Youngの式が成立（θ：接触角） γ SV = γ SL + γ LV cos θ 液体として水を用いたときθが90°以 上の大きな表面を疎水性、θが0に近 い表面を親水性と呼ぶ 液滴の形状と接触角の大きさ θ=0° 液体は固体表面全体を完全に 濡らし、表面全体に広がる。 0<θ<90° 液体は限られた範囲に広がり、 液滴のままで存在 θ＞90° 液体は全く固体表面に広がらず、 表面を濡らすことはない。少量 では球形に近くなり、接触面積 を極小 接触角測定（液適法） 固液界面・水平線と、液滴端での接線、こ の二つの線がなす角をθＡ（接触角）と定義 固液界面・水平線と、液滴頂点と液滴端を 結ぶ線、この二つの線がなす角をθＢ（測定 角） 測定角は接触角の1/2の関係にある。この ことを利用して接触角を測定する方法を、１ /２θ法という。 溶媒にぬれるー親溶媒性 （水の場合→親水性） z薬品・食品・農薬・塗料・印刷 z写真フィルム・ビデオテープ・CD・ハー ドディスク・家電品・接着剤 z化粧品・製薬・薬品・コンタクトレンズ 水をはじくー撥水性 z自動車・ワックス・コーティング･ペイント z繊維・素材・建材・塗料・電線・化成品・ 造船 油をはじくー撥油性 z汚れ防止 自然現象と界面 zハネカクシやアメンボ zボウフラの運動 z小さな昆虫が水を飲む 固体の表面張力 液体のように直接評価が出来ない。 ポリエチレン 表面張力の異なる液体でθを測定する。 γLを小さくするとθは小さくなる。 cosθ 対 γL のプロット (Zismanプロット） 完全にぬれる、すなわちcosθ=1になる ときのγLを固体の表面張力（臨界表面 張力、 γｃ）と定義する。 材料／官能基 γc/mNm-1 テフロン 18 ポリエチレン 31 ポリスチレン 33-43 ナイロン66 41-46 -CF3 6 -CH3 20-24 -CH2-CH2ー 31 -CCl2-CH2- 40 動的接触角ー表面の粗さ、構造変化を反映 傾斜した固体の表面を液的がゆっくり移動す るとき 濡れが広がるとき 前進接触角、θadv 濡れが後退してゆくとき 後退接触角、θrec F=mg w F=mg+PγLcosθ 1 P=2(t+w) t F=mg+PγLcosθ−Fb 2 γ θ Wilhelmy平板法 同様に固体が液体に浸漬 ときと引き上げる場合にも、 それぞれ、前進接触角、 θadv後退接触角、θrecが 評価できる。 γ 浸漬速度と引き上げ速度 を変化させることにより表 面の動的な性質が評価で きる。 （動的接触角） θ Fb 粗面の場合 表面が均一であるが幾何学的に不均一で 粗さの存在する場合、見かけの接触角θ’ と真の接触角の間にはウエンツェルの式が 成立する。 cosθ’=rcosθ r=実際の表面積／見かけの表面積≧１ θ>90°θ<θ’ 濡れにくい面は粗面にするとますます濡れ にくく θ<90°θ>θ’ 濡れやすい面は粗面にするとますます濡れ やすく Lotus Effect Si O O O ｿﾞﾙｹﾞﾙ反応 ； n Si(OC2H5)4 + 2n H2O → nSiO2 + 4nC2H5OH n Si(OC2H5)4 (TEOS) コロイダルシリカ(～10nm) フッ素系シランカップリング剤 2.5 µm 2.5 µm O Si Si O Si O O O Si O Si 基板；透明ポリマーフィルム ガラス、シリコンウエハ 299.99 nm 5 µm 5 µm 2.5 µm 2.5 µm 0 µm 0 µm 撥水表面 Si O O ｽﾋﾟﾝｺｰﾃｨﾝｸﾞ法 150℃/ 1時間処理 299.99 nm 5 µm 5 µm Si O Si 0 µm 0 µm 超撥水表面 Hikita, Nakamura, Tanaka, Takahara, Kajiyama, Langmuir in press 高分子材料の場合、分子の運動性が高ければ表面の組成は環境に依存し て変化する→前進接触角、後退接触角の違い Wet Dry top view CH3 ( CH2 C ) n COOCH2CH2OH side view high energy phase 空気中では疎水性であるが、水中 では表面自由エネルギーの高い成 分が表面へ移動する ポリヒドロキ シエチルメタ クリレート (PHEMA) 空気中では疎水性の側鎖 が表面に配向し、水中では 表面自由エネルギーの高い 側鎖が水界面に存在する。 z高い前進接触角 z低い後退接触角 ３ 表面の分析法 表面の分析 1. 表面現象の分析や機構解明 2. 表面や界面の制御による材料の高性能化・機能化 必要な情報 1. 表面の形態 2. 表面の組成 3. 表面の物性 医用材料の場合 １．表面の化学的な性質（濡れ性、荷電） タンパク質の吸着、細胞の付着、摩擦摩耗と関連 ２．表面の凹凸 細胞の付着、摩擦摩耗と関連 医用材料の表面・界面の構造と物性の解析法 •分光学的方法（化学構造） 赤外吸収分光（IR)、和周波発生(SFG), X線光電子分光(XPS)、二次イオン質量 分析(SIMS) •反射、回折法（電子密度、結晶状態） エリプソメトリー、 X線反射率（XR)、 中性子反射率(NR)、視斜角入射X 線回折(GIXD) • 接触角測定（表面自由エネルギー） 静的、動的接触角、空気中、水中 •形態学的観察（表面形態） 光学顕微鏡(OM)、走査電子顕微 鏡（SEM)、透過電子顕微鏡（TEM)、 走査プローブ顕微鏡（SPM） •ナノ物性評価（力学物性、電気物性） 水平力顕微鏡(LFM)、走査粘弾性顕 微鏡(SVM)、走査誘電率顕微鏡 正確な表面構造の情報を得るためには、異なった （相補的な）分析手法の利用が必要不可欠 主な表面分光分析法 とその特徴 赤外線 赤外線（吸収スペクトル） ＡＴＲプリズム ATR-IR 多重全反射赤外吸収分 ATR-IR:Attenuated total reflection-infrared spectroscopy Ｘ線（ＭｇＫα） 光電子（エネルギ－分析） 化学シフト （定量性） 2-10nm XPS Ｘ線光電子分光 XPS:Xray photoelectron spectroscopy オージェ電子分光 AES: Auger electron spectroscopy 官能基分析 0.5-2 μm 電子線 1-10keV オージェ電子 高い空間分解能 2-10nm AES 一次イオン(Ar, Cs) 二次イオン（質量分析） 0.3-10keV 静的二次イオン質量分光 SSIMS: Static secondary SSIMS ion mass spectroscopy 希ガスイオン イオン散乱分光 ISS: Ion scattering spectroscopy 0.1-3keV ISS 分析される層 質量スペクトル 高い空間分解能 高感度 1nm 散乱イオン（エネルギ－） 最外層原子の 分析 <0.5nm 主な表面形態観察法 電子線 TEM STM 探 針 透過電子線 電磁レンズ z y x トンネル電流 画像 SEM 電子線 試料表面 二次電子検出器 SFM レ－ザ－光 カンチレバ－ 走 査 二次電子 2分割 ディテクタ たわみ方向 試料表面 透過電子顕微鏡 TEM: Transmission electron microscopy 走査電子顕微鏡 SEM: Scanning electron microscopy 走査トンネル顕微鏡 STM: Scanning tunneling microscopy 走査フォース顕微鏡 SFM: Scanning force microscopy ブロック共重合体の３次元トモグラフィー像（京工繊大、陣内ら） トモグラフィーを使うと電子顕微鏡で３次元構 造が明らかになる。 SISの三次元電子顕微鏡像（スケールバーは 格子長（74nm）に相当） ネットワーク状のドメインはポリスチレン ネットワーク状ポリスチレン相の色の違いは、 互いに交差しないネットワークが2本存在して いることを示している。一方、PI相は透明部分 に相当。この構造は、結晶構造学的にはIa3d という空間群に属し、高度の規則性を持つ結 晶様構造 H. Jinnai Y. Nishikawa, R. J. Spontak, S. D. Smith, D. A. Agard, T. Hashimoto, Phys. Rev. Lett., 84, 518 (2000). アルキルシラン単分子膜の高分解能ＡＦＭ観察 nm 10 5 ED 0 0 10 5 OTS molecule in a hexagonal manner nm High-resolution AFM image 15 mN m -1 (10) spacing : 0.42 nm OTS C18H37SiCl3 Distance between Si atoms : 0.58 nm HO Si OH HO Si O Si HO Si Si Si HO Si OH O O OH O O O OH OH O H HO HO O OH H O Si Si Si Si Si Silicon wafer Si Si O O O O H O OH Si Si 原子間力顕微鏡で分子１個が識 別出来る (OTS/FOETS)(50/50) C18H37SiCl3 C8Ｆ１7C２H４SiCl3 -SiCl3基が存在 すると？ →メゾスコピック な相分離の形成 50 OTS FOETS 40 30 20 1μm 10 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 Area / nm 2 molecule -1 分子の長い結晶性の OTSが高さの高い明る い相として観察 Height/nm フルオロアルカン とアルカンの混合 物→マクロな相 分離 60 Surface pressure/mN m-1 ２成分系の単分 子膜 70 1 OTS 3 2 1 FOETS 0 0 S. -R. Ge, A.Takahara, T. Kajiyama, Langmuir, Vol.11, 1341(1995) 1 2 3 Lateral distance /μ m 4 5 (OTS/FOETS)(50/50)単分子膜表面への牛血清アルブミ ン（BSA)の吸着挙動の液中AFMによる その場観察 [BSA］＝２０ μg ml-1 , pH > pI of BSA (b) pH7.5, 30 min (a) pH7.5, 10 min OTS 6 OTS 4 2 0 1 2 3 4 Height/nm Height/nm OTS 6 OTS 4 2 0 1 2 3 4 Distance/μm Distance/μm アルブミンがより疎水性の高いＦＯＥＴＳ相に選択的に吸着 A. Takahara, S.-R. Ge, K. Kojio, T. Kajiyama, J. Biomater. Sci., Polm. Ed., Vol.11, 111-120 (2000). ライン状2成分系単分子膜による摩擦異方性評価 Hertz接触 3-4のラインと接触 摩擦方向 ＜測定条件＞ 走査速度 平行 走査距離 20 mm 垂直荷重 50 g(>120MPa) Stainless プローブ 測定環境 垂直 80 mm/min 大気中 298K ラインに対して平行 ラインに対して垂直 ABTES(NC3)/OTMS(C18) 0.152±0.009 0.174±0.010 DTMS(C12 )/FOETMS(CF6) 0.104±0.005 0.14±0.02 DTMS(C12)/DTMS(C12) 0.078±0.007 0.082±0.007 平滑表面で化学的な性質の違いで摩擦の異方性が実現 Tribol. Lett.,Vol.19, No.1(2005). ４．表面の性質と血液適合性 血液適合性 材料表面に血栓を形成させない性質 人工血管 血液浄化用材料ー人工腎臓、人工肝臓 人工肺 人工心臓 に要求される性質。 6-8g/dl 血液中の 血小板 フィブリノーゲン 血液凝固因子 が血液の凝固と関係 血液の凝固 • 血小板系 • 血液凝固因子系 血管が傷つくと 凝固系が活性化→止血 →血管が修復されるとと もに血栓は溶解 人工材料表面ー吸着し たタンパク質の種類や変 性の程度で凝固系が活 性化 （異物反応ー生体防御 システム） 炎症反応など XII因子の活性化 内因系 VII因子の活性化 外因系（外からの刺激） 血栓形成 高分子表面の臨界表面張力と 血液の凝固時間の関係 １９６５年頃は低表面エネルギーは血液適合性を示すと考えられ ていた(Lyman 1965） 一方、親水性の表面の方が好ましいとの考え方も？ 多くの研究者で矛盾を生じた？ 吸着タンパク質は血栓形成に大きな影響を及ぼす (Cooperら 1978) 極大は血栓形成を示す ポリ塩化ビニルの表面を種々の血漿タンパク質の吸着層を形成後 A-Vシャント zアルブミン（ＡＬＢ）血液適合性良好 z血小板のレセプターと相互作用するRGDS(Arg-Gly-Asp-Ser)シークエンスを有 する細胞接着タンパク質(FGN,vWf,FN) 血栓形成 血栓形成 材料表面に吸着したタンパク質を介した生体反応 血液適合性高分子の設計指針 zタンパク質を吸着しない表面 z血栓形成を誘起しない吸着タンパク層を形成する表面 材料表面の水の構造 タンパク質の吸着特性と 密接に関連 タンパク質の吸着を 抑制するには材料 表面の水を自由水 の状態に維持し、タ ンパク質側から見る と界面が存在しない ようにする。 血栓を形成しにくい高分子（抗血栓性高分子）の設計 2. 3. 4. 界面自由エネルギー 親水性表面 ミクロ相分離表面 高含水率表面 負電荷表面 5. 6. 偽内膜形成 血液凝固阻害物質の固定化 7. 8. 生体分子の固定化 リン脂質構造の表面 1. 高含水率、高分子運動性表面 （長岡ら 1985） 水和したポリエチレングリコール(PEG) 鎖の分子運動によりタンパク質や血小 板が吸着しない ミクロ相分離構造と血液適合性（岡野ら 1978) ポリスチレンとポリヒドロキシメタ クリレートが非相溶であるためミ クロ相分離構造を形成する しかしながら最近の研究に よると表面は界面自由エネ ルギーを極小化するため に一成分の高分子で覆わ れてる。 ミクロ相分離が本当に有効 なのか？ 1.5mmφ、長さ20cmの チューブが血栓形成で閉塞 するまでの時間 ミクロ相分離を有 する表面では血小 板のダメージも少 ない 生体膜類似の官能基を表面に賦与 （石原ら 1990) リン脂質類似の構造を有するメタクリレート系 共重合体 膜タンパク質 コレステロール リン脂質 細胞膜のモデル 血液凝固阻害物質や生体分子の固定化 にもとづく血液適合性材料 血管内皮細胞の抗血栓性 TM：トロンボモジュリン t-PA：プラスミノーゲン活性因子 Hp:へパリン様分子 PGI2：プロスタサイクリン ATIII：アンチトロンビンIII トロンビンの血液凝固活性を消失 線溶系を活性化 ATIIIと作用してトロンビンを不活性化 抗血栓性に関与する生理活性分子を材料表面に固定化 ５．高分子膜表面での細胞培養 材料表面での細胞の接着挙動 細胞→接着→扁平化→分裂→球状→扁平化 細胞と材料に強い相互作用→増殖速度が低下 細胞は負に帯電 ＋の電荷の表面（接着、増殖率大） 荷電が強すぎると細胞が変性 水の接触角 60-70° 細胞の初期接着率が最大 細胞培養 表面をプラズマ処理し たPSシャーレ 接触角 70° 細胞が接着、 増殖、伸展 培養液に含まれる 接着性タンパク質の吸着層 温度応答性基質を利用した細胞シートの回収 肝実質細胞から高度な分化機能を維持したままの回収 トリプシン処理→分化機能を大幅に消失 PNIPAMを共有結合で固定化した表面の利用(岡野ら 1993） トリプシン処理なしに培養細胞を脱着（細胞外マトリクスも接着したまま） ３７℃ 疎水性表面 細胞培養 ( CH2 CH )n C=O N CH H3C 細胞シート（再生医療へ応用） CH3